一種基于Zigbee技術(shù)在大面積農(nóng)場(chǎng)管理中組網(wǎng)的方法

陳 勇，曹玉保，王林強(qiáng)

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學(xué) 江蘇 南京 211100）

當(dāng)前的大面積農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中大多采用鋪設(shè)銅纜來提供管理信息的傳輸通道，這種方式主要存在以下問題：組網(wǎng)成本過高、有線工程施工成本偏高、不適應(yīng)大面積農(nóng)業(yè)建筑管理系統(tǒng)中管理對(duì)象和拓?fù)涞撵`活性、有線的用戶控制終端不能夠隨便移動(dòng)等等[1-2]。

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由大量的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有機(jī)組成，Zigbee技術(shù)是一種新興的近距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有無線通信、數(shù)據(jù)采集和處理、協(xié)同合作等功能，布置在目標(biāo)環(huán)境中，能夠獲取周圍環(huán)境的信息并且相互協(xié)同工作完成特定任務(wù)。

雖然Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用前景，但是Zigbee技術(shù)本身還處在快速發(fā)展的初級(jí)階段。現(xiàn)有的Zigbee規(guī)范中還存在尚未解決的許多遺留問題，ZigBee規(guī)范正在繼續(xù)改進(jìn)并將提供更多的功能。

1 系統(tǒng)總體框架

本文的目的在于，將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于大面積農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中，以提供一種Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大面積農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中的組網(wǎng)方法，以使大面積農(nóng)業(yè)中的管理對(duì)象可以快速聯(lián)網(wǎng)，并且具備移動(dòng)性。

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大面積農(nóng)業(yè)管理中組網(wǎng)的系統(tǒng)[3-4]，包括第一網(wǎng)關(guān)、第二網(wǎng)關(guān)、至少一個(gè)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和至少一個(gè)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RS485有線網(wǎng)絡(luò)；所述第一Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過第一網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連；所述第二Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過第二網(wǎng)關(guān)與RS485有線網(wǎng)絡(luò)相連，所述RS485有線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連。

進(jìn)一步地，所述第一Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括用于連接兩個(gè)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)或者進(jìn)行信道遷移的信道網(wǎng)關(guān)，所述信道網(wǎng)關(guān)包括兩個(gè)通過串口通信的Zigbee網(wǎng)絡(luò)單元a和網(wǎng)絡(luò)單元b，所述信道網(wǎng)關(guān)具有第一射頻信道和第二射頻信道。

進(jìn)一步地，所述第二Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括用于連接兩個(gè)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)或者進(jìn)行信道遷移的信道網(wǎng)關(guān)，所述信道網(wǎng)關(guān)包括兩個(gè)通過串口通信的Zigbee網(wǎng)絡(luò)單元a和網(wǎng)絡(luò)單元b，所述信道網(wǎng)關(guān)具有第一射頻信道和第二射頻信道。整體框架圖如圖1所示。

2 具體實(shí)施方式

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大面積農(nóng)業(yè)管理中組網(wǎng)的系統(tǒng)，包括第一網(wǎng)關(guān)、第二網(wǎng)關(guān)、至少一個(gè)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和至少一個(gè)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RS485有線網(wǎng)絡(luò)；所述第一Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過第一網(wǎng)關(guān)與互聯(lián)網(wǎng)相連；所述第二Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過第二網(wǎng)關(guān)與RS485有線網(wǎng)絡(luò)相連，所述RS485有線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相連。其中所述RS485有線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的連接方式為現(xiàn)有技術(shù)，如通過增加其他網(wǎng)關(guān)等設(shè)備的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，在此省略對(duì)該部分的描述。

圖1 一種基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)在大面積農(nóng)業(yè)管理中組網(wǎng)的系統(tǒng)Fig.1 A method of networking in large area of farm management based on Zigbee technology

其中，所述第一Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括用于連接兩個(gè)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)或者進(jìn)行信道遷移的信道網(wǎng)關(guān)，所述信道網(wǎng)關(guān)包括兩個(gè)通過串口通信的Zigbee網(wǎng)絡(luò)單元a和網(wǎng)絡(luò)單元b，所述信道網(wǎng)關(guān)具有第一射頻信道和第二射頻信道。其中，所述第二Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中包括用于連接兩個(gè)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)子網(wǎng)或者進(jìn)行信道遷移的信道網(wǎng)關(guān)，所述信道網(wǎng)關(guān)包括兩個(gè)通過串口通信的Zigbee網(wǎng)絡(luò)單元a和網(wǎng)絡(luò)單元b，所述信道網(wǎng)關(guān)具有第一射頻信道和第二射頻信道。

第一網(wǎng)關(guān)可采用三星公司的S3C2440高速處理器[5]。使得該第一網(wǎng)關(guān)具備強(qiáng)大的運(yùn)算處理能力，能夠快速的解析系統(tǒng)私有的地址分配管理協(xié)議。并且一方面可以提供以太網(wǎng)口的互聯(lián)網(wǎng)（Internet）訪問，同時(shí)能夠提供有線網(wǎng)絡(luò)的RS485串口，以及Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)訪問接口，因此可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)和Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及RS485有線網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)訪問。

其中，第二網(wǎng)關(guān)可采用FREESCALE的MC13213芯片。其主要包括兩個(gè)功能單元部分：關(guān)于2.4 GHz的收發(fā)射頻單元的處理；另一部分是關(guān)于串口RS-485通信的處理。利用該網(wǎng)關(guān)可以通過私有的地址分配和管理協(xié)議，實(shí)現(xiàn)Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與有線的RS485網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)組網(wǎng)。功能如圖2所示。

圖2 網(wǎng)關(guān)功能圖Fig.2 Gateway functions figure

此外，所述第一、第二Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中還本配合使用Zigbee網(wǎng)關(guān)、Zigbee中繼器等多種設(shè)備 （該部分為現(xiàn)有技術(shù)故省略具體描述），以提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的靈活性，可以實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與Internet等有線網(wǎng)絡(luò)無縫連接、互為補(bǔ)充，適合大范圍、跨地域組網(wǎng)。

本實(shí)施例中，采用如下信道遷移機(jī)制[6]，具體描述如下

其中，假設(shè)某一第一Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)或者某一第二Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均工作在第一信道，所述信道網(wǎng)關(guān)的信道遷移具體包括以下步驟：

第一步：將網(wǎng)絡(luò)單元b的工作信道從第一信道更改為第二信道；

第二步：工作在第一信道的網(wǎng)絡(luò)單元a向全網(wǎng)發(fā)送修改工作信道至第二信道的廣播命令；

第三步：節(jié)點(diǎn)收到該命令后，向信道網(wǎng)關(guān)回復(fù)節(jié)點(diǎn)的地址，信道網(wǎng)關(guān)收到回復(fù)后，記錄各個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址；

第四步：工作在第二信道的網(wǎng)絡(luò)單元b發(fā)送邀請(qǐng)（hello）到各個(gè)已經(jīng)記錄的且更改了工作信道的節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)通過第二信道回復(fù)應(yīng)答（hello）給信道網(wǎng)關(guān)；

第五步：如果回復(fù)成功的節(jié)點(diǎn)數(shù)量與信道網(wǎng)關(guān)中記錄的節(jié)點(diǎn)不一致，則重復(fù)第一、二、三、四步，如果一致，則結(jié)束信道遷移過程，確保信道遷移過程的可靠性。

通過上述步驟，可有效的避免由于射頻（RF）工作信道的切換，產(chǎn)生與現(xiàn)有的射頻網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)孤兒，有效地解決工作信道的可靠遷移問題。具體流程如圖3所示。

圖3 信道遷移流程圖Fig.3 Flow chart of channel migration

3 結(jié) 論

本方法將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于大面積農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中，以提供一種Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在大面積農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中的組網(wǎng)方法，以使大面積農(nóng)業(yè)中的管理對(duì)象可以快速聯(lián)網(wǎng)，并且具備移動(dòng)性，用戶控制終端只需要通過互聯(lián)網(wǎng)即能方便獲取無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。大大降低了組網(wǎng)的成本、提高了管理對(duì)象和拓?fù)涞撵`活性。

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